JP6027624B2 - ガスプラズマ消毒および滅菌装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、たとえば人体もしくは動物体上もしくは体内などの臨床用途に好適な滅菌および／または消毒システムに関する。たとえば、本発明は、人間もしくは動物の生体系および／もしくは周囲環境に関連する一定の細菌および／もしくはウイルスを破壊または処理するために用いられ得るシステムを提供し得る。特に、本発明は、病院もしくは医師の手術などのたとえば臨床環境におけるユーザの手の滅菌および／または消毒に好適であり得る。この設備はさらに、作業者の手もしくは食品もしくは包装を消毒または滅菌するために食品業界において用いられ得る。

発明の背景
滅菌は、たとえば微生物、細菌等の微細な生命体を破壊もしくは除去する行為または処理である。プラズマ滅菌の処理時、活性物質が生成される。これらの活性物質は、化学不対電子を有する原子または原子の集合である、高強度紫外光子および遊離基を含み得る。プラズマ滅菌の魅力的な特徴は、体温などの比較的低い温度で滅菌を達成できることである。プラズマ滅菌は、操作者および患者に安全であるという利点も有する。手の滅菌の場合、繰返し使用すると多数の皮膚関連の問題をもたらし得るアルコールゲルの代わりに低温プラズマが用いられ得る。

低温大気圧プラズマが、従来の滅菌法に取って代わり、その非毒性、即時の処理効果の点で既存の滅菌手段に対する明らかな利点、ならびにさまざまなエネルギレベルおよびさまざまな異なる形態のプラズマ生成能力を提供するために用いられ得る。室温環境において、プラズマは通常、電磁（ＥＭ）場によって支持される。電子は電場からエネルギを吸収し、このエネルギの一部をプラズマ中の重粒子に伝達する。電子がそのエネルギを伝達するための十分な機会を与えられない場合、より重いプラズマ成分が電子よりもはるかに低い温度で残留する。このようなプラズマは非熱プラズマと称され、それらのガス温度は室温ほど低い場合がある。

非熱プラズマを用いて高反応性プラズマ粒子（たとえば電子、イオン、基、および他の化学活性種を含む）ならびに紫外線（ＵＶ）放射が生成され得、次にこれを用いて生物組織、外部の作業面または手術器具が消毒および滅菌され得る。たとえば、プラズマ中のＵＶ光子は、細菌細胞のＤＮＡ中にチミン二量体の形成を引起こすことによって細菌細胞に影響を及ぼし得る。これは、細菌の適切な複製能力を抑制する。この効果は、細菌のレベルを下げること望ましいが完全には破壊せず、すなわち体の自然な細菌叢を破壊しないようにする場合に特に有用であり得る。

プラズマ源が生物組織（または他の表面）のより近くに配置され、プラズマ中の電場が高くなるにつれて、非熱プラズマ滅菌処理工程の強度および有効性が高まる。

ＷＯ ２００９／０６０２１３は、雰囲気プラズマを生成するためにガス（たとえば不活性ガスまたは不活性ガスの混合物）と結合するマイクロ波エネルギを提供するための制御可能な（たとえば調整可能な態様で変調可能な）非イオン化マイクロ波放射源を有する滅菌システムを開示している。この出願に記載のシステムの一例は、（たとえば同軸ケーブルなどのマイクロ波供給構造からの）マイクロ波エネルギを複数のプラズマ発生領域同士の間で分割するように構成された電力分割装置を含み、ガス供給部がガスを各プラズマ発生領域に送るように接続され、複数のプラズマ発生領域の吹出口は、それぞれのプラズマ発生領域内に発生した複数のプラズマから実質的に均一なプラズマのブランケットまたはプラズマ線を送るように空間的に配置される。開口を規定するフレームに収納される１０個以上のプラズマ発生領域を設けることが考えられ、プラズマ発生領域からのプラズマはフレームから内向きに方向付けられ、フレームを通過した項目にプラズマのブランケットを提供する。特に、この出願には、手を差込可能なボックス内に可動プラズマジェットが提供される手の滅菌装置が記載されている。

プラズマを衝突させるため、高電場（たとえば高電圧または高インピーダンス条件）を有することが望ましい。したがって、ガスを分解するのに必要な高電圧（高電場）を発生することができるように高インピーダンス状態を設定することが必要である。ＷＯ ２００９／０６０２１３に記載される一実施形態では、低周波数（たとえば無線周波数）発振回路と、適切なドライバならびにスイッチング装置（たとえばゲート駆動チップおよびパワーＭＯＳＦＥＴまたはＢＪＴ）によって低電圧発振回路に接続された一次巻線を有する変圧器とを用いるフライバック回路を使用して高電圧（高インピーダンス）条件が設定される。この構成は、プラズマを衝突させるか他の方法で起こす高電圧パルスまたはスパイクを生成する。

プラズマが衝突した後、マイクロ波給電構造によって見られるインピーダンスは、導電性プラズマ内への非導電性ガスのへの変化によって変化する。ここで、マイクロ波エネルギを持続させるためにマイクロ波エネルギをプラズマ内に効率的に送ることが望ましい。マイクロ波エネルギのすべて（またはほとんど）がプラズマ内に結合することが望ましい。したがって、発生器インピーダンス（すなわちマイクロ波給電構造のインピーダンス）をプラズマのインピーダンスと整合させることが望ましい。

発明の要約
本発明はＷＯ ２００９／０６０２１３の開示を基礎とし、費用効果およびユーザの安全性の観点から大量生産型の手の滅菌または消毒機器に組込まれるのに特に好適であり得るガスプラズマ滅菌装置を提供する。

最も一般的な形態では、本発明は、非熱プラズマがパルスで発生する滅菌または消毒システムであって、各プラズマパルスを持続させるために用いるマイクロ波周波数エネルギの各パルスを用いて、プラズマを衝突させる無線周波数衝突パルスをトリガするシステムを提案する。衝突パルスと持続パルスとをこのように同期させることによって、本発明は各プラズマ衝突の確実性を高めることができ、プラズマ内への効率的なエネルギ送出を可能にし得ることによって、滅菌または消毒用のエネルギを提供する。

本発明によると、プラズマ滅菌装置（すなわち表面を滅菌または消毒するための非熱プラズマ発生装置）であって、マイクロ波源からマイクロ波周波数放射のパルスを受信するように接続可能なマイクロ波空洞と、複数のマイクロ波結合器とを含み、各マイクロ波結合器は、マイクロ波エネルギをマイクロ波空洞の外に、各自のプラズマ衝突ゾーンに結合するように構成され、プラズマ衝突ゾーンは内部にガス流路を有し、プラズマ滅菌装置はさらに、イオン化可能ガスを各ガス流路に供給するように接続可能なガス供給部と、無線周波数（ＲＦ）エネルギのパルスを各プラズマ衝突ゾーンに送ることによって、ガス流路に存在するイオン化可能ガス中の非熱プラズマを衝突させるための高電場をゾーン内にを生成するように構成された衝突信号発生回路とを含み、衝突信号発生回路は、マイクロ波空洞内に受信したマイクロ波周波数放射のパルスの検出可能な特性を用いてＲＦエネルギのパルスの生成をトリガするように構成された制御回路構成を含む、プラズマ滅菌装置が提供され得る。複数のプラズマ衝突ゾーンが存在するため、装置は、１本のプラズマジェットで可能であり得る面積よりも広い面積を占めるプラズマの領域を放出できる。

本発明はこのように、プラズマを衝突および持続させるために（たとえば異なる源からの）異なる信号の使用を提案するが、プラズマが存在するときにのみマイクロ波エネルギが空洞に送られる確実性を高めるためにこれらの源を同期させる。

本明細書において、「マイクロ波周波数」は４００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数範囲であるが、好ましくは１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚの範囲を広く示すために用いられ得る。考慮された具体的な周波数は、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、３．３ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、１４．５ＧＨｚおよび２４ＧＨｚである。対照的に、本明細書では、「無線周波数」または「ＲＦ」は少なくとも３桁小さい周波数範囲、たとえば１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚを表わすために用いられる。

マイクロ波空洞は、マイクロ波周波数放射の受信パルスに対応する電磁場を支持するための任意の好適な筐体であり得る。マイクロ波空洞は、ＴＥ₁₀モードで受信したマイクロ波周波数放射の伝播を支持するサイズを有する導波管の長さを含み得る。たとえば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数に対して、ＷＲ３４０導波管が用いられ得る。空洞の長さは、支持すべきマイクロ波周波数放射の半波長の整数に対応し得る。たとえば、空洞は、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数に対して約２５０ｍｍの動作長を有し得る。

マイクロ波空洞は、空洞によって支持される最大電磁場に対応するように配置された入力を有し得る。たとえば、入力は、空洞の閉（または短絡）端から４分の１波長の奇数倍に対応する距離に配置され得る。入力は、たとえば源からのマイクロ波周波数放射のパルスを搬送するマイクロ波供給ケーブル（たとえば可撓性同軸線もしくは導波管）に接続するための、好適なＳＭＡまたはＮ型コネクタを含み得る。入力はさらに、マグネトロン（または他の、すなわち進行波管）源、すなわち導波管部分内に直接結合（または接続）された１／４波長モノポール（またはループアンテナ）からの直接の送り出しを含み得る。たとえば、１/４波長モノポールは、導波管空洞の短絡壁から１/４波長（またはその奇数倍）の距離だけ、導波管空洞内に接続され得る。

マイクロ波源は、５０Ｗ以上の平均電力を有するマイクロ波周波数放射をマイクロ波空洞内に送ることが可能な出力電力を有し得る。送出電力レベルは、マイクロ波供給ケーブルおよび入力コネクタ等内の損失のため、出力電力レベルよりも小さい場合がある。たとえば、マイクロ波源とマイクロ波空洞との間の全損失が３ｄＢの場合、マイクロ波源の出力電力は、空洞内に５０Ｗの平均電力を達成するために少なくとも１００Ｗである。マイクロ波源はマグネトロンであり得、マグネトロンは、不要なケーブル損失、すなわちケーブルの挿入損失を克服するために空洞内に直接結合され得る。空洞毎に２つ以上の源を有することも可能であり得、たとえばマイクロ波空洞は複数の入力を含み得、各入力が各自の源（たとえばマグネトロン、進行波管、クライストロン、または固体源）からマイクロ波周波数放射を提供する。

マイクロ波源は、マイクロ波周波数放射をパルス化するためのスイッチング装置を含み得る。一実施形態では、スイッチング装置は、４０ｍｓの持続期間および２／７のデューティサイクル、すなわち４０ｍｓのオン期間の後に１００ｍｓのオフ期間が続く周期を有するマイクロ波周波数放射のパルスを送るように構成され得る。本実施形態では、プラズマは１００ｋＨｚ ＲＦエネルギの１ｍｓバーストを用いて衝突し得、振幅は約４００Ｖピークであり、ＲＦエネルギのバーストはマイクロ波パルスの立上がりエッジと同期される。約５０Ｗのピーク電力を用いて、この処理プロファイルは芽胞および植物状態のクロストリジウム・ディフィシルの処理に効果的である。

ここにおいて、「ＲＦエネルギのパルス」は、たとえば１０ｍｓ以下、好ましくは１ｍｓの離散期間のＲＦエネルギの伝達を意味する。ＲＦエネルギ伝達のこの離散期間は、ＲＦエネルギのバーストとも称され得る。ＲＦエネルギの各パルスはＲＦエネルギの複数のバーストを含み得る。ＲＦエネルギのパルス（ここではＲＦ衝突パルスとも称される）をトリガするため、装置はマイクロ波信号結合器を含み得、当該結合器は、マイクロ波空洞へのマイクロ波信号入力（たとえば上述の入力）において接続され、空洞で受信したマイクロ波周波数放射の一部（すなわちマイクロ波周波数放射のパルスの一部）を衝突信号発生回路の制御回路構成に結合する。マイクロ波信号結合器は、たとえば１０ｄＢ順方向性結合器などの方向性結合器であり得る。

衝突信号発生回路は、マイクロ波信号結合器からの信号を条件付けるおよび／または処理して、マイクロ波周波数放射のパルスの検出可能な特性に基づいて制御信号（ゲート信号）を形成するように構成され得る。制御信号は衝突信号発生回路によって用いられ、ＲＦ衝突パルスまたはＲＦ衝突パルスのバーストが発生する。検出可能な特性は、マイクロ波放射のパルスの立上がり端であり得る。代替的に、当該特性は、パルスの振幅またはパルスの立下がり端であり得る。

制御回路構成は、マイクロ波信号結合器からの信号をパルスに変換するように構成された閾値比較器および微分器を含み得る。制御回路構成は、上記パルスの幅が単極微分器回路のＣＲ時定数と微分器に続く閾値比較器の反転ピンの基準電圧とに関連するアナログ回路装置によって実現され得る。マイクロ波信号結合器によってマイクロ波空洞の外部に結合されたマイクロ波エネルギは、マイクロ波検出器によって条件付けられた後に閾値比較器に送られ得る。マイクロ波検出器は、１００ｎｓ以下、たとえば１０ｎｓ〜１００ｎｓの応答時間を有するショットキーまたはトンネルダイオードであり得、これは回路の残りを正確に機能させ得るのに十分早い時間であり得る。

制御信号からＲＦ衝突パルスを生成するために、衝突信号発生回路は連続ＲＦ源（たとえばゲート自走発振器）、ＭＯＳＦＥＴゲートドライバ、パワーＭＯＳＦＥＴ、および巻数比が１よりも大きい変圧器を含み得る。たとえば、１：１００の巻線比によって、一次巻線上の１０Ｖは、プラズマ衝突の際に用いる二次巻線上に１０００Ｖを提供可能であり得る。使用される特定のパワーＭＯＳＦＥＴは、その最大電圧、定格電流、およびオン／オフ時間の観点で選択され得る。

制御信号は、連続ＲＦ源からの出力と（たとえばＡＮＤゲートを用いて）論理的に組合わされて、ゲートドライバ回路への入力として用いるパルスＲＦ信号が発生し得、次にこの信号を用いてパワーＭＯＳＦＥＴを切替えて変圧器の一次巻線の両端に電圧を発生する。制御回路構成は、制御信号の持続期間を１０ｍｓ以下に設定するように構成され得る。したがって、ＲＦエネルギのバーストの持続期間は１０ｍｓ以下、たとえば１ｍｓであり得る。

制御の持続期間が１０ｍｓであり、発振器が１００ｋＨｚの周波数で自走しており、デューティサイクルが５０％である場合、ＲＦ衝突パルスは、１０ｍｓの期間に生成された５μｓのオン時間および５μｓのオフ時間を有するパルスのバーストを含む。つまり、マイクロ波エネルギの各バーストの立上がりエッジに続いて、１０００個の５μｓのＲＦパルスが生成される。この１０００個のＲＦパルスを開始するためのトリガは、結合および整流されたマイクロ波エネルギのバーストから得られるパルスの立上がりエッジによってもたらされる。

他の実施形態では、パルスＲＦ信号は、（たとえばダイオード検出器またはヘテロダイン／ホモダイン検出器などを介して）空洞から結合されたマイクロ波周波数放射の部分を検出するように構成され得るマイクロプロセッサなどからの制御信号によってトリガされ得る。

衝突信号発生回路は複数のＲＦ衝突回路を含み得、各ＲＦ衝突回路は、ゲートドライバ、パワーＭＯＳＦＥＴ、および変圧器を含み、ＲＦ衝突パルスを各自のプラズマ衝突ゾーンに送るように構成される。複数のＲＦ衝突回路は同一の連続ＲＦ源（たとえば低電圧発振器）を共有し得るか、各々が各自のＲＦ源を有し得る。しかし、複数のＲＦ衝突回路は、共通の入力、すなわち上記の制御信号を受信し得る。たとえば、制御回路構成は、制御信号を分割してＲＦ衝突回路毎に別個の入力信号を発生するように構成されたＲＦ信号スプリッタを含み得る。

複数のマイクロ波結合器は、マイクロ波空洞上に１列以上に（たとえば矩形配列で）配置され得る。一実施形態では、各列は７個のマイクロ波結合器を有する。各列のＲＦ衝突パルスは、プラズマが連続して見えるように配列され得、すなわち、プラズマの列は衝突パルスを用いて別個に開始され得る。第１の列と第２の列との間、および第２の列と第３の列との間等で、開始に遅延が起こり得る。連続衝突パルス同士の間の遅延は、たとえば１００μｓまたは１ｍｓであり得る。この筋書きでは、配列が１０列有する場合、配列全体はそれぞれ１ｍｓまたは１０ｍｓの時間枠でプラズマを放出する（すなわち準連続動作）。この構成の利点は、マイクロ波源が必要とする電力が減ることである。

衝突パルスは、好適な中継またはＭＯＳＦＥＴ／ＢＪＴ構成を用いて多重化され得る。代替的に、別個のＲＦ衝突パルス回路がプラズマの各列に接続され得、各プラズマ衝突回路への駆動信号は、隣接する駆動信号同士の間に時間遅延を導入することによって配列され得、すなわち、低電力ＲＦ発振器が、第２のＲＦ衝突回路に印加される１ｍｓ前に第１のＲＦ衝突回路に適用され得、したがってプラズマの２列目が１列目の１ｍｓ後に開始される。

各プラズマ衝突ゾーンはマイクロ波空洞の外部に配置され得る。各プラズマ衝突ゾーンは１対の導体によって規定され得、当該導体同士の間に高電圧を生じさせることによって高電場を発生することができる。各プラズマ衝突ゾーンの導体は、それぞれのＲＦ衝突回路に接続可能であり得る。上述のように、各ＲＦ衝突回路の出力は、ＲＦエネルギのゲートバースト、たとえば１ｍｓの期間の正弦波高電圧ＲＦパルスまたはスパイクのバーストであり得る。ＲＦ衝突パルスのピーク電圧は１ｋＶ以上であり得る。

ここに開示されるＲＦ衝突回路は、ＭＯＳＦＥＴゲートドライバ、パワーＭＯＳＦＥＴおよび変圧器を用いる構成に限定されない。必要な時間枠内でプラズマを衝突させることが可能な高電圧ＲＦエネルギのバーストまたはパルスを生成する他の装置および回路構成、たとえば電力バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、電力絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、自動変圧器、電圧ダブラ回路の構成（コッククロフト・スタック）等を用いてもよい。

一実施形態では、各プラズマ衝突ゾーンは、マイクロ波空洞から外部に延在してガス流路を規定する誘電管を含む。当該管は、石英などの好適な低損失誘電体からなり得る。低損失誘電体を用いることによって、ＲＦ衝突パルスによって発生する熱ができる限り低く保たれることが保証される。各衝突ゾーンは、誘電管の内部に配置された内部導体と、誘電管によって内部導体から分離された外部導体とを含む同軸構成を有し得、衝突信号発生回路は同軸構成に接続されて、無線周波数（ＲＦ）エネルギのパルス（すなわちＲＦ衝突パルス）が送出されると誘電管内に高電場を発生する。高電場はこのように、内部導体と外部導体との間に発生する。誘電管が存在する場合、誘電管はアーク放電を抑制し得、イオン化可能ガス流を高電場内に閉じ込め得る。ガス供給部は、ガスをこの領域内のプラズマ衝突ゾーンに導入するように構成され得る。ガス流路は、ＲＦ衝突パルスによって発生する最大電場の位置を通ることが望ましい。

ＲＦ衝突回路は、同軸給電を介して同軸構成に接続され得る。同軸給電は、同軸構成の外部導体に電気的に接続された接地外部導体と、同軸構成の内部導体に電気的に接続された活性内部導体とを含み得る。活性内部導体は誘電管の開口を通り得る。

同軸給電は、衝突信号発生回路をプラズマ衝突ゾーン内のマイクロ波エネルギから保護するように構成されたマイクロ波遮断要素を含み得る。つまり、マイクロ波遮断要素は、マイクロ波エネルギが、同軸給電の内部導体によってプラズマ衝突ゾーンから外部に結合されることを防止し得る。遮断要素はさらに、ＲＦエネルギが回路から外部に放射しないように機能し得る。

一実施形態では、同軸給電は、同軸構成の内部導体に接続される内部導体と、同軸構成の外部導体に接続される外部導体とを有する同軸出力線を含み得、マイクロ波遮断要素は、同軸出力線の内部導体上の、もしくは内部導体に取付けられた１つ以上の１／４波長スタブおよび／またはインダクタを含む。小型装置については、プラズマ衝突ゾーン毎に１／４波長スタブを提供すると空間を取りすぎ得るため、インダクタを用いることが好まれ得る。説明のため、空気中の２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数エネルギ用の１／４波長スタブの長さは３ｃｍよりも長い。インダクタを用いる場合、当該インダクタは好ましくは銀などの低損失導体からなるワイヤ巻付インダクタであり、好ましくは磁気コアを有する。

本発明の好ましい実施形態では、同軸構成の内部導体は、各自のプラズマ衝突ゾーン用のマイクロ波結合器の少なくとも一部である。この構成によって、プラズマ衝突ゾーン内の構成要素の数が減る。マイクロ波結合器は、以下により詳細に説明される。

各マイクロ波結合器は、マイクロ波空洞内に、すなわち低損失導体からなる中空の矩形または円筒形部分（または導波管）内に突出する第１の部分と、マイクロ波空洞から各自のプラズマ衝突ゾーンへ外向きに延在する第２の部分とを有する導電部材を含み得、マイクロ波空洞内に露出する第１の部分の長さは、マイクロ波空洞内のマイクロ波エネルギの場強度に基づいて決定される。この構成によると、所望量のエネルギ（たとえば各結合器において等量のエネルギ）が空洞外に結合されることを保証することができる。単純な実施形態では、マイクロ波結合器は、マイクロ波空洞内の場強度最大と位置合わせされ得る。このような構成では、結合器は負荷波長（すなわちマイクロ波空洞によって導かれるマイクロ波周波数放射の波長）の半分の間隔を空けられる。しかし、マイクロ波周波数放射が空洞に沿って入力から離れて伝播するにつれてマイクロ波電力がマイクロ波空洞から外部に結合されると、場強度は低下する。したがって、入力の近くに配置されるマイクロ波結合器に対して入力から遠くに配置されるマイクロ波結合器については、マイクロ波空洞内に露出する第１の部分の量を増やすことが望ましい場合がある。この構成によると、マイクロ波結合器によって抽出されるマイクロ波電力の割合を等しくすることができ、均一なプラズマブランケットの生成が容易になる。

付加的にまたは代替的に、各プラズマ衝突ゾーンで使用可能なマイクロ波電力を等しくするために、導波管空洞内部に設定される場または場分布を変更するためにマイクロ波空洞内部に同調スタブの構成を含むことが必要であり得る。同調スタブはマイクロ波結合器と同じ側／面に、マイクロ波結合器と反対の側／面に、またはマイクロ波結合器が配置される面／側に直交する一方または両方の側／面にあり得る。同調スタブは調整可能であり得る。たとえば、同調スタブは金属または誘電体ねじを含み得、当該ねじは空洞内に突出し、その長さが導波管空洞の外部から機械的手段によって調整され得る。しかし、同調スタブの位置および長さが既に定められている大量生産型の装置については、同調スタブは静的な同調ロッドまたはポストであり得る。

他の実施形態では、マイクロ波結合器同士の間隔を狭くすること、たとえばプラズマ衝突ゾーン（および最終的にプラズマ衝突ゾーンから放出されるプラズマジェット）が互いに近接するようにできることが望ましい場合がある。隣接するマイクロ波結合器同士の間隔を負荷波長の半分未満にすることによって、個別のプラズマジェットが互いにより近付き得るため、プラズマの「ブランケット」の発生が容易になり得る。このように間隔を狭めることは、マイクロ波結合器のすべてがマイクロ波空洞内の最大場と位置合わせされるわけではないことを必然的に意味する。したがってこの構成では、マイクロ波空洞内に露出するマイクロ波結合器の量をさらに適合することが必要であり得、これによって場強度が低くなるほど、露出する第１の部分の量は増加する。

マイクロ波空洞は、単一の導波管モード（たとえばＴＥ₁₀モード）で受信した実質的にすべてのマイクロ波エネルギを支持するように構成され得る。この構成によると、露出する第１の部分の量を左右する要因は２つあり得、これらは、（ｉ）最近傍の最大場からのマイクロ波結合器の距離、および（ii）マイクロ波周波数放射の入力からマイクロ波空洞までのマイクロ波結合器の距離である。これらの距離が増加するにつれ、結合電力の等しい割合を達成するために、露出しなければならない第１の部分の量も増加する。つまり、マイクロ波空洞内に露出する各導電部材の第１の部分の量は、導波管モードの場分布に対する各自のマイクロ波結合器の位置、およびマイクロ波結合器と、空洞内のマイクロ波エネルギが受信される場所との距離に基づいて決定される。当該結合器は、電場プローブまたは磁場ループ構成であり得る。

イオン化可能ガスは、空気、またはたとえばアルゴンなどの好適な不活性ガスであり得る。好ましくは、ガス供給部は、マイクロ波空洞の外部の場所で各プラズマ衝突ゾーンのガス流路にガスを送るためのガス注入口を含む。ガスは、別個のガス供給管を用いて各個別のプラズマ衝突ゾーンにパイプで送られ得る。代替的に、注入口は、複数のプラズマ衝突ゾーン内に、たとえば一列のプラズマ衝突ゾーン内に供給するように相互に接続（直列または並列）される。このような構成では、ガス供給システムおよびマイクロ波エネルギ供給システムは、プラズマ衝突ゾーン自体まで互いに別個である。しかし、他の実施形態では、ガス供給部がマイクロ波空洞内への注入口およびマイクロ波空洞からの複数の吹出口を含むことも可能であり得、各吹出口は各自のプラズマ衝突ゾーンに繋がっており、これによってイオン化可能ガスがマイクロ波空洞を通ってプラズマ衝突ゾーンに達する。たとえば、各マイクロ波結合器は、ガス透過性コネクタによってそのプラズマ衝突ゾーンの各自の吹出口内に固定され得る。

上述のプラズマ滅菌装置は、人体の部位、特に手を滅菌／消毒するのに好適な機器に使用される滅菌／消毒アプリケータに組込まれ得る。機器は、ユーザの手を受けるための凹部を内部に有するハウジングを含み得る。発生したプラズマを用いてユーザの手を滅菌するための活性物質（たとえばイオン化粒子または他の基）を生成できるように、１つ以上の滅菌／消毒アプリケータがハウジング内に装着され得る。一実施形態では、機器内に４つのアプリケータがあり、すなわちユーザの各手の各側に１つのアプリケータがある。

プラズマによって生成される活性物質は、単一の導波管空洞の面全体に広がるプラズマ衝突ゾーンの配列を用いることによって分散し得る。４つのアプリケータを有する機器では、所望の分散を提供するために１００個以上のプラズマ衝突ゾーン（たとえばアプリケータ毎に２５個以上）があり得る。代替的に、単一のプラズマ衝突ゾーンによって生成される活性物質は、プラズマ衝突ゾーンの出力を拡散装置に接続することによって分散し得る。拡散装置は、活性種が外部に、たとえばユーザの手の表面上の機器の凹部内にあふれ出ることを可能にするための開口配列を表面に有する筐体チャンバまたはボックスであり得る。たとえば、拡散装置は、プラズマ源が上面と底面の４つの孔とに入って種を放出するか送る矩形ボックスであり得る。この構成によって、装置はより少ないプラズマ衝突ゾーンで活性物質のブランケットを提供することが可能になり得る。

活性物質の外向きの流れを促進するため、吹出ガス供給部（プラズマガス供給部と同じまたは異なるガスを用い得る）が拡散装置に接続され得る。拡散装置から活性物質を抜取るためのファンも設けられ得る。

別の実施形態では、ガスは単一の注入ポートから導波管空洞に入って導波管空洞を充填し得る。そして導波管空洞内部のガスを用いて、プラズマ発生領域と同じ場所の導波管空洞内のスロットまたは出力ポートを介して各プラズマ発生領域に入り得る。この構成では、ガスがプラズマ発生領域でしか逃げることができないように導波管空洞は部分的に封止され得、すなわち、ガスは導波管空洞とマグネトロンとの移行部または界面で逃げるべきでない。この構成では、導波管自体の内部にプラズマが発生せず、すなわちプラズマはプラズマ衝突ゾーンのみで発生する。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を以下に詳細に説明する。

本発明の実施形態に係るプラズマ滅菌または消毒装置を組込んだ、手を滅菌するための機器の概略斜視図である。 本発明の実施形態であるプラズマ滅菌装置の概略断面側面図である。 本発明の実施形態であるプラズマ滅菌装置のシステム構成要素を示すブロック図である。 本発明のプラズマ滅菌装置内で用いるのに好適な衝突信号発生回路の図である。 本発明の別の実施形態であるプラズマ滅菌装置の概略断面側面図である。 本発明のプラズマ滅菌装置内で用いるプラズマ衝突ゾーンの概略断面図である。 本発明のプラズマ滅菌装置内で用いるのに好適な別のプラズマ衝突ゾーンの概略図である。 本発明のプラズマ滅菌装置とともに用いるのに好適なプラズマ衝突ゾーンに接続された拡散装置の概略断面側面図である。 本発明のプラズマ滅菌装置とともに用いるのに好適なプラズマ衝突ゾーンに接続された拡散装置の概略上面図である。

詳細な説明；さらなる選択肢および好ましい例
図１は、発明のプラズマ滅菌装置を組込んだ手滅菌機器１０を示す。機器１０は、ユーザの手（図示せず）を受けるための凹部１４を規定するハウジング１２を含む。本実施形態では、ハウジング１２はＵ字型の本体を含み、凹部１４はＵ字の両腕同士の間の空間である。ハウジング１２は、システムの構成要素を内部に含み得る中空のケーシングである。たとえば、ハウジング１２は、滅菌に用いるプラズマを衝突および持続させるためのエネルギを供給ならびに制御する制御モジュール１６を含み得る。制御モジュール１６は、以下に説明するようにマイクロ波周波数放射を発生するためのマイクロ波電源（たとえば１つ以上のマグネトロンを含む）と、（たとえばプラズマを衝突させるための）無線周波数放射のパルスを生成するための衝突信号発生回路構成と、機器の動作を制御するための制御回路構成とを含み得る。ハウジング１２はさらに、不活性ガス（たとえばアルゴンなど）を供給するためのガス供給部１８を含み得る。ハウジング１２は、１つまたは複数のガス容器であり得るガス供給部１８を交換できるように開けられ得る。装置の使用時にダウンタイムがないことを確実にするためにシステム内に２つ以上のガス容器を用いることが望ましい場合があり、すなわち、１つのガス容器が空になると、ガス容器の供給部にメッセージが送信されて新たな容器が装置に接続される。

ハウジング１２はさらに、滅菌用プラズマを発生して凹部１４内に放出するためのプラズマ滅菌装置を含む。本実施形態では、プラズマ滅菌装置は４つのプラズマアプリケータ２０を含む。Ｕ字型本体の各腕の内部に、１対のアプリケータが互いに隣接して配置される。各アプリケータ２０は、その一面から突出する複数（実施形態では６本）の石英管２４を有する立方体状のマイクロ波導波管空洞２２を含む。アプリケータ２０は、管２４が凹部１４の方を向くように位置決めされる。凹部１４は、ハウジング１２の内側を向く壁のメッシュウインドウ２６を介してアプリケータ２０に露出し得る。メッシュのサイズは、マイクロ波エネルギがアプリケータ２０から凹部１４に入らないように選択され得る。

図１に示される構成では、各マイクロ波空洞２２は、制御モジュール１６内のマイクロ波源から好適な供給構造３２を介してマイクロ波周波数放射を受信するように接続される。各空洞は自身の専用のマイクロ波を有し得、たとえば１つ以上のマグネトロンを含む。代替的に、単一のマイクロ波源（１つ以上のマグネトロンを含む）がすべてのマイクロ波空洞２２にマイクロ波周波数放射を供給してもよい。マイクロ波源は、マイクロ波エネルギのパルスを供給するように構成され得る。アプリケータがマイクロ波源を共有する場合、マイクロ波エネルギは、たとえば多重化技術を用いて各々に順に供給され得る。

石英管２４は、以下により詳細に説明するようにプラズマ衝突ゾーンを取囲み得る。各プラズマ衝突ゾーンは、制御モジュール１６内の衝突信号発生回路構成から好適な供給構造３４を介してＲＦ放射のパルスを受信するように接続され得る。

本実施形態では、ガス供給部１８は４つの出力２８を有するとして示される。各出力は、ガス供給管（図示せず）によって各アプリケータのそれぞれの入力３０に接続される。本実施形態では、入力３０が各マイクロ波空洞２２の内部と通信することによって、ガスが空洞を通るガス流路に沿って進み、石英管２４から空洞を出る。しかし、別の実施形態（たとえば図５を参照して以下に説明する）では、ガス流路はマイクロ波空洞２２を流れない。代わりに、各アプリケータの入力３０は、石英管２４内への複数の入力を直接含み得る。

使用時、ユーザの手が凹部１４に差込まれると、制御モジュール１６は、ガス供給部１８から石英管２４内のプラズマ衝突ゾーンへのガスの供給を開始し、マイクロ波源からマイクロ波空洞２２にマイクロ波周波数放射のパルスを放出するように構成される。機器１０は、凹部内の物体の存在を検出して動作をトリガするための動きまたは近接検出器（図示せず）を含み得る。この種類の技術は手乾燥機の分野において従来からあるため、ここでは詳細に説明しない。本発明によると、マイクロ波空洞に送られるマイクロ波エネルギの各パルスは衝突信号発生回路構成をトリガして、ＲＦ衝突パルスを各プラズマ衝突ゾーンに供給する。以下により詳細に説明するように、ＲＦ衝突パルスのタイミングは、たとえば石英管内に高電場を発生することによって、ＲＦパルスがプラズマ衝突ゾーン内に存在するガス中の非熱ガスプラズマを衝突させるように作用するように、ガスおよびマイクロ波パルスの供給に対して制御される。マイクロ波パルスはプラズマを持続させ、すなわち、そのエネルギをプラズマ内に送り、ガス流によってハウジング１２の外部に向けられる活性物質の生成を支持する。プラズマ中に生成される活性物質は、凹部１４内の物体（たとえば手）の表面に存在する微生物を殺すための滅菌または消毒剤として作用する。

図２は、図１に示されるプラズマアプリケータ２０のうちの１つの概略表現の断面側面図を示す。プラズマアプリケータ２０は、導電材料からなる内面３６（たとえば金属化面）を有する導波管空洞２２を含む。導波管空洞２２は、図２に示されるように両端で閉じられていてもよいし、ガスプラズマに伝達されないすべてのマイクロ波エネルギを吸収するように一端がダミー負荷（図示せず）に接続されていてもよい。本実施形態では、マイクロ波空洞はその底面にマイクロ波入力３２およびガス注入口３０を有する。マイクロ波入力３２は、マイクロ波源（たとえばマグネトロン、進行波管、クライストロンまたは固体源）からマイクロ波周波数放射を受信するように、好適な供給構造（たとえば可撓性導波管、同軸給電など）によって接続される。マイクロ波入力３２によって、パルスマイクロ波周波数放射がマイクロ波空洞２２内に送り出される。マイクロ波入力３２は、たとえばＳＭＡまたはＮ型コネクタなどの任意の好適なコネクタを含み得る。他の実施形態では、マイクロ波源は、追加のコネクタが必要となるのを避けるために、導波管空洞に直接接続され得る。ガス注入口３０は、マイクロ波放射が自由空間に放射されないように、動作周波数における波長の８分の１未満の直径を有する単純な導管である。

マイクロ波空洞２２は好ましくは、基本モードにおけるマイクロ波周波数放射の各パルスを、たとえばＴＥ₁₀モードにおける定在波として支持するように寸法決めされた立方空間である。マイクロ波空洞２２の長さは、誘導波長の整数と等しいように選択される（本実施形態では空洞の長さは３λであり、λは空洞によって誘導されるマイクロ波周波数放射の波長である）。マイクロ波注入口３２は、誘導された電場が最大強度を有する場所でマイクロ波周波数放射が送り出されるように、空洞の一端からλ／４の距離に位置決めされる。場強度（電場）の大きさは、図２において点線３８によって概略的に示される。場は、空洞の両端によって規定される境界において最小である。本実施形態では、最大場が３つある。

複数の石英管２４がアプリケータ２０の上面から離れるように突出する。各石英管２４は、ねじ切壁もしくはマイクロ波エネルギによって吸収されない好適な接着剤、または金属スリーブおよび密な押しばめであり得る取付部４０によってマイクロ波空洞２２に固定される。石英管は導波管空洞の表面を通って延在し得るが、各プラズマ発生領域内に用いられる中心導体は、中心導体からの放射を防止するように導波管空洞から延在する導体を用いて遮蔽されなければならない。本実施形態では７本の石英管があり、他の実施形態では１０本以上ある。本実施形態では、石英管はアプリケータの上面に一列に沿って並べられる。他の実施形態では、管は配列内に分散され得、たとえばアプリケータの上面を横切って複数の列を含む。たとえば、各導波管アプリケータは７列のプラズマを送るように配置され得、各列は７本のプラズマ石英管を含む。このようなシステムは、４９本のプラズマジェットを生成する。

各石英管２４は、以下に説明するように、ＲＦ衝突パルスによって生じる高いＲＦ電場（たとえば１５０Ｖ以上、すなわち1ｋＶのピーク電圧を有する）を経験するように構成された内部体積を規定する。この内部体積はガス供給部からガスを受けるようにも構成され、これによって高いＲＦ電場はガスプラズマを衝突させることができる。内部体積はしたがって、ここではプラズマ衝突ゾーンと称される。本実施形態では、プラズマ衝突ゾーンは円筒形の空間領域であるが、当該ゾーンは高いＲＦ電場を支持するのに好適な任意の形状であり得、すなわち、当該ゾーンは、内部の第１の導体および外部の第２の導体を有する中空の円筒石英管ではなく、石英ガラス板によって分けられた２枚の平行板であってもよい。

本実施形態では、ガス供給部は、マイクロ波空洞２２の内部にガスを提供するように注入口３０に接続される。これは、誘導波長が自由空間内の波長未満であるように、マイクロ波空洞２２に負荷をかけ得る。したがって、導波管が基本モードを支持するように確実に寸法決めされるようにガスの比誘電率（誘電定数）を考慮する必要があるが、この領域内にプラズマが生成されない限り、領域内のガスによって生じる効果は無視することができ、したがってインピーダンス変化も無視することができる。導波管の長さは好ましくは波長の整数であり、すなわち負荷波長λ_l（すなわちガスまたは他の材料、すなわち誘電または磁気装填材料が存在する場合の波長）は

として計算され得、ｃは真空中の光の速度であり、ｆは空洞に入力されるマイクロ波放射の周波数であり、ε_rはガスまたは他の材料の比誘電率（誘電定数）である。導波管を横切って長手方向に（導波管に沿ってまたは導波管の下へ）、すなわち矩形導波管部分の上面を横切ってかつ上面に沿って配置された隣接するプラズマ発生領域同士の間隔を小さくするために、導波管空洞（または導波管空洞の一部）を誘電または磁気材料で装填または充填することが好ましい場合がある。装填材料を用いることによって、隣接するプラズマ発生ゾーンまたは領域同士をより近付けることができ得る。たとえば、比誘電率または比透過率が１６である低損失材料で空洞を装填することによって、隣接するプローブ同士の間のピッチが１６ｍｍから４ｍｍに減少し得る。

ガスは、アプリケータ２０の上面に形成された吹出口４２を介して、マイクロ波空洞２２から各プラズマ衝突ゾーン内に逃げる。各吹出口４２は、対応する石英管２４の底部に配置される。吹出口４２は透過性ＰＴＦＥリングを含み得、当該リングはガスがリングを流れることを許可するが、吹出口のサイズ、すなわち円形結合構成の直径またはスロットの幅によってマイクロ波放射が逃げることを防止する。ガスは加圧下で空洞に供給され、吹出口４２を流れ、流路に沿ってプラズマ衝突ゾーンを通り、石英管の端の外に出る。このガス流によって、活性物質（すなわち高エネルギ粒子、遊離基など）がアプリケータ（すなわち石英管）の外部に運ばれ、滅菌剤として使用され得る。活性物質は、マイクロ波周波数放射の各パルスによって生成されるプラズマによってプラズマ衝突ゾーン内に生成される。ガスがマイクロ波空洞２２を流れない実施形態を、図５を参照して以下に説明する。

各プラズマ衝突ゾーン内のガスプラズマは、ＲＦエネルギの１つ以上の離散パルスを含み得るＲＦエネルギの高電圧バーストによって衝突する。ＲＦ衝突パルスは、たとえば石英管２４の外面上の外部導体（図６に示される）と、プラズマ衝突ゾーンの内部に装着され、石英管自体によって外部導体から分離された内部導体とを含む同軸構成に供給される。本実施形態では、内部導体は、以下により詳細に説明するマイクロ波結合器４４である。ＲＦ供給部４６（図６を参照して以下により詳細に説明する）が各同軸構成に接続される。ＲＦ供給部４６は、衝突信号発生回路（図３を参照して以下に説明する）からプラズマ衝突ゾーンにＲＦ衝突パルスを伝達する。

以下に説明するように、各ＲＦ衝突パルスは、マイクロ波周波数放射のパルスをマイクロ波空洞に送ることによってトリガされる。ＲＦ衝突パルスによってプラズマが衝突した後、アプリケータは、空洞内のマイクロ波周波数放射のパルスからの電力を結合してプラズマを持続させるように構成され、これによって滅菌に有用な活性物質が生成される。各ＲＦ衝突パルス自体も、いくつかの活性物質の生成を担当し得る。マイクロ波電力は、対応するマイクロ波結合器４４によって、マイクロ波空洞２２から各プラズマ衝突ゾーン内に抽出される。各マイクロ波結合器４４は、各自の石英管２４内から吹出口４２を通ってマイクロ波空洞２２内に延在する長い導電部材である。各吹出口における弾性リングが各マイクロ波結合器を所定の位置に固定し得る。弾性リングは、対象周波数におけるマイクロ波エネルギに対して低損失を示す誘電材料、すなわちＰＴＦＥ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ナイロン、セラミック等からなり得る。本実施形態では、マイクロ波結合器は長い電場プローブである。他の実施形態ではループ結合器などが用いられ得る。

空洞からのマイクロ波電力の結合を最大化するため、マイクロ波結合器を空洞内の場強度最大の反対側に配置することが通常は望ましい。しかし、このように配置されたマイクロ波結合器は、アプリケータに沿って最小λ_g／２の間隔を空けられる。対象のマイクロ波周波数において、この間隔距離は石英管から活性物質の均一な「ブランケット」を生成するのに遠すぎる場合がある。たとえば、２．４５ＧＨｚでは、λ_g／２は非装填空洞内で約６ｃｍである。したがって、本実施形態では、マイクロ波結合器はλ_g／２未満の距離の間隔を互いに空けられる。これは、結合器は異なる場強度を有する誘導波の部分と位置合わせされることを意味する。各マイクロ波結合器によって外部に結合される電力量を等しくするために、結合器が空洞内に突出する量は、場強度の二乗の大きさに依存する。これは、図２において線４８として概略的に示される。使用可能電力が低下するにつれて、結合器は空洞内にさらに突出する。

さらに、線４８には示されていないが、空洞内の使用可能電力は一般に入力３２から離れるにつれて低下する。したがって、突出長は電力最大に対する位置に依存するのに加えて、突出長は入力３２に対する空洞内の位置にも依存する。最近傍の最大場に対する同等の位置については、突出長は、同じ電力量を抽出するために、入力から離れるにつれて増加する必要があり得る。Ansoft HFSSまたはCST Microwave Studioなどの高度なＥＭ場ツールを用いた電磁場モデル化を使用して、突出長が決定され得る。これらのＥＭモデル化ツールを用いて、隣接結合器同士の間隔（横切って、および長手方向）も決定され得、結合器同士の間隔が導波管空洞を横切って縦方向に等距離または同一であるように配置しようとする試みに必要なスタブの位置および種類も決定され得る。突出長は実験によっても決定され得る。

上述のように、同調スタブも導波管空洞に導入されて、空洞外に結合されるか各プラズマ発生領域に供給されるマイクロ波電力が実質的に同一であるように、空洞内に設定される場が調整され得る。同調スタブは、結合プローブと同じ壁に導入され得、および／または反対側の壁に導入され得、および／または一方もしくは両方の側壁に導入され得る。同調スタブは、選択したマイクロ波周波数において低損失特性を示す好適な材料からなる金属ロッド（ねじ、もしくは合い釘）または誘電ポストであり得る。これらの同調スタブ／ポストの位置は、ＥＭ場モデル化ツールを用いて、または実験によって決定され得る。

図３は、ＲＦエネルギ、マイクロ波周波数エネルギおよびガスをプラズマ衝突ゾーンに提供する、発明のプラズマ滅菌装置の制御部品の高レベルシステム図を示す。プラズマ滅菌装置は、マイクロ波周波数放射を生成するためのマイクロ波源５２を含む。マイクロ波源は、たとえばGoldstar社の２Ｍ２１３マグネトロン、またはパナソニック、ソニー等製の別の標準的な電子レンジマグネトロンなどの、１つ以上のマグネトロンであり得る。各マグネトロンは、７００Ｗ（連続波）または３ｋＷ（パルス）以上の電力でマイクロ波周波数放射を生成し得る。

変調器５４が、好適な低損失コネクタ（たとえば可撓性導波管など）を介してマイクロ波源５２の出力に接続される。変調器５４の出力はマイクロ波空洞２２の入力に接続される。変調器５４はマイクロ波源５２の出力を切替えて、パルスマイクロ波信号をマイクロ波空洞２２内に送り出す。変調器５４は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ等であり得るシステムコントローラ５６からの制御信号Ｃ₁によって制御される。システムコントローラ５６は、パルスマイクロ波信号のパルス持続期間およびデューティサイクルを設定し得る。たとえば、パルス持続期間は４０ｍｓでパルス同士の間に１００ｍｓの間隔があり得、すなわち２９％のデューティサイクルを有する。マイクロ波源によって発生する電力が５０Ｗである場合、これは、空洞に送られる各パルスの平均電力レベルが１４．３Ｗであることを意味する。片手の片側を覆う導波管アプリケータに４９個のプラズマ発生領域またはゾーンが必要である場合、システムは各導波管アプリケータから２４５０Ｗのピーク電力または７００Ｗの平均電力を送出可能でなければならない。両手の両側を覆うことができるように４つのそのようなアプリケータが必要であると仮定すると、プラズマ内に送る必要があるピークマイクロ波電力は（１００％の電源および電力効率と仮定して）１２．２５ｋＷであり、平均電力は２．８ｋＷである。コントローラ５６は、マイクロ波空洞に送られるマイクロ波放射の電力レベルを検出するためのマイクロ波供給モニタ（図示せず）を含み得る。所望の電力レベルを確実にマイクロ波空洞５２内に送るようにするために、マイクロ波源５２からのパルス持続期間、デューティサイクルおよび電力レベル出力のいずれも（たとえば動的に）調整可能であり得る。電力レベルは、たとえばシステムコントローラ５６に接続されたユーザインターフェイス５８を介して、装置オペレータによって選択され得る。

変調器５４とマイクロ波空洞２２との間に方向性結合器６０が接続される。結合器６０は、ＲＦ衝突パルスをトリガする際に使用する順方向マイクロ波電力の一部（たとえば１％以下）を分流させる。結合信号はコントローラ５６によって処理されて、ＲＦ衝突ウィンドウ信号をＡＮＤゲート６２の一方の入力に供給する。たとえば、コントローラ５６は、基準信号を超えるとその出力信号が電力供給レールに近付けられ得るアナログ比較器を提供し得る。ＲＦ衝突ウィンドウ信号は本質的に、ＲＦ衝突パルス（ＲＦエネルギのバースト（すなわち離散期間）を含み得る）の持続期間を設定する矩形パルスである。ＡＮＤゲート６２の他方の入力はＲＦ源６４に接続される。したがってＡＮＤゲート６２の出力は、ＲＦ源の周波数およびＲＦ衝突ウィンドウ信号に対応する持続期間を有するＲＦエネルギのバーストである。ＲＦ衝突ウィンドウ信号を発生するためのアナログ解法を、図４を参照して以下に説明する。

ＡＮＤゲート６２の出力は、複数のゲートドライバ回路６６に接続される。各ゲートドライバ回路６６はパワーＭＯＳＦＥＴおよび変圧器回路６８を駆動するように接続され、回路６８内では、たとえばパワーＭＯＳＦＥＴデバイスなどの高速スイッチ７０がＲＦ周波数においてトランジスタ７２の一次巻線の両端電圧を切替える。変圧器７２の二次巻線はこれによって高電圧ＲＦ信号を発生し、当該信号はＲＦ衝突パルスとして各自のプラズマ衝突ゾーンに供給される。本実施形態では、各プラズマ衝突ゾーン内に十分高い電圧が確実に発生するように、ゲートドライバ回路６６ならびにパワーＭＯＳＦＥＴおよび変圧器回路６８がプラズマ衝突ゾーン毎に設けられる。１つのＲＦ衝突パルス回路を用いて複数のプラズマ発生領域またはゾーンにＲＦ衝突パルスを生成することが好ましい場合があり、すなわちプラズマ発生領域への５個、１０個またはそれ以上のＲＦ結合入力が並列接続され得るが、インダクタを用いて絶縁される。この構成では、ＲＦ衝突パルスはキャパシタおよび直列インダクタを介して別個の供給部を用いてプラズマ発生領域またはゾーン内に結合され得る。

本実施形態におけるガス供給部１８は、制御信号Ｃ₂を介してシステムコントローラ５６によって制御される制御弁７１を介して、マイクロ波空洞２２の内部に接続される。制御信号Ｃ₁およびＣ₂は、ＲＦ衝突パルスおよびマイクロ波エネルギが供給されるとプラズマ衝突ゾーン内にガス流が確実に確立されるように同期され得る。

図４は、衝突信号発生回路構成の一実施形態の詳細な構成を示す。ＮＡＮＤゲート６２、本実施形態では非安定回路であるＲＦ源６４、および反転ゲートドライバ回路６６には図３と同じ参照番号が与えられる。図４に示される構成では、ＲＦ衝突ウィンドウ信号は、閾値比較器７４を微分器７６とともに用いることによって発生する。衝突信号発生回路構成の入力信号Ｓ₁は、方向性結合器６０からのマイクロ波エネルギの一部から得られる。入力信号Ｓ₁は、比較器７４に入力される信号に負荷が掛からないことを確実にするためにユニティゲインバッファ７３に接続される。この結果得られる信号Ｓ₂は、演算増幅器への非反転入力において見られる電圧が閾値電圧Ｖ_thよりも大きくなると、演算増幅器の電力供給レール電圧Ｖ₂に近いか同じレベルを定電圧に与えるように条件付けられる。この回路は、一定の初期電圧レベルを微分器回路に提供する。トリガパルスは本質的に、マイクロ波空洞に送られるマイクロ波パルスと同じ持続期間を有する矩形波パルスである。衝突信号発生回路構成のために、閾値比較器７４の状態変化を引起すのはこの信号の立上がり端であるため、対象はこの信号の立上がり端である。バッファ７３の出力信号Ｓ₂は閾値比較器７４に入力され、比較器７４は、信号Ｓ₂の電圧が閾値電圧Ｖ_thよりも大きければ出力信号Ｓ₃を発生する。出力信号Ｓ₃は微分器７６に入力され、微分器７６の出力信号Ｓ₄は、信号Ｓ₃の電圧の時間導関数に対応する電圧を有する。しかし、信号Ｓ₄の持続期間は、微分器回路内の第２の比較器に入力される基準電圧Ｖ_rによって制限される。この結果、出力信号Ｓ４は制限された持続期間を有する。基準電圧Ｖ_rは、衝突パルスの持続期間を確立するように設定され得る。

図３に示されるように、ＮＡＮＤゲート６２の出力はゲートドライバ回路６６に接続される。判定ゲートドライバ回路の出力はパワーＭＯＳＦＥＴおよび変圧器回路に接続され、当該回路は図４において変圧器８０の一次巻線の両端電圧＋Ｖ_DDを切替えるように接続されたＭＯＳＦＥＴ７８を含むとして示される。変圧器８０の二次巻線はＲＦ衝突信号を発生し、当該信号はたとえば同軸ケーブルなどの好適な供給構造を介して、対応するプラズマ衝突ゾーンに供給される。

図５は、図２に示されるプラズマアプリケータ１２０の代替的な表現の断面側面図を示す。図２と共通の特徴には同じ参照番号が与えられ、説明は繰返さない。本実施形態におけるプラズマアプリケータ１２０は、プラズマ衝突ゾーンにガスが供給される方法が図２に示される実施形態と異なる。本実施形態では、マイクロ波空洞は閉じられており、すなわちガス流は空洞を通らない。不透過取付具１４２を用いてアプリケータ１２０の上面にマイクロ波結合器４４が装着され、取付具１４２はアプリケータを所定の位置に固定し、かつマイクロ波空洞２２を封止する。取付具の下側は、マイクロ波エネルギが逃げないように金属化され得る。

本実施形態では、ガスは、対応する石英管２４の壁の注入口を通って各プラズマ衝突ゾーンに直接供給される。各注入口はガス供給部に並列接続されてもよいし、図５に示されるように、ガス流通路１３０が各石英管２４の内部をその隣接する石英管に接続してもよい。石英管のうちの１本、たとえば一番端の石英管は、ガス供給部（図示せず）に接続するための注入口１３１を含む。このように、プラズマ衝突ゾーンはガス供給部に直列接続される。この構成の１つの利点は、ガス流をアプリケータ全体にわたって確実に等しくできることである。

図６は、上述のようにプラズマアプリケータの上面に装着された石英管２４内部のプラズマ衝突ゾーンのより詳細な図を示す。上述の構成と共通の特徴には同じ参照番号が与えられ、説明は繰返さない。図６は、プラズマ衝突ゾーン内にＲＦ衝突パルスを送り出すための構成の詳細な例を示す。ＲＦ衝突パルスは、同軸ケーブル、容量性フィードスルー、ワイヤコンタクト等であり得るケーブル９０を介して、衝突信号発生回路構成からプラズマ衝突ゾーンに搬送される。同軸ケーブルを用いる場合、中心導体はインダクタ９６を介して結合器４４に接続される。この構成では、同軸ケーブル９０の内部導体は、インダクタ９６を介して石英管内のマイクロ波結合器４４に電気的に接続される。接地され得る同軸ケーブル９０の外部導体は、マイクロ波結合器４４の端を取囲む石英管２４の外面の一部の周囲に形成された導電性スリーブ９２に接続される。導電性スリーブ９２は導体／結合器４４を完全に取囲み、かつ、導波管部分／空洞２２の外壁に電気的に接続されなければならない。導電性スリーブ９２の長さおよび石英管２４の周りの金属化は、マイクロ波エネルギがプラズマ発生ゾーンまたは領域から自由空間内に放射または逃げることができないような、または組織内に結合できないようなものでなければならない。したがって、マイクロ波結合器４４、石英管２４およびスリーブ９２は同軸構造を形成する。ガスがこの同軸構造を流れる石英管２４の内部の領域は、ＲＦ衝突パルスによって生じる高電場がここに現われるため、プラズマ衝突ゾーンである。

同軸ケーブル９０と上述の同軸構造との間にマイクロ波遮断要素９４が接続される。マイクロ波遮断要素９４の目的は、マイクロ波結合器４４によって空洞から結合されるマイクロ波エネルギが、同軸ケーブル９０を通って衝突信号発生回路構成に向かって進むことを防止することである。本実施形態では、マイクロ波遮断要素９４は、同軸ケーブル９０の内部導体に接続され、かつ絶縁体９８によって同軸ケーブル９０の外部導体から絶縁された、コイル状のワイヤインダクタ９６を含む。インダクタ９６は、銀などの低損失材料からなり得る。インダクタ９６は、たとえば１ＧＨｚ以上のマイクロ波周波数エネルギを遮断するのに特に効果的である。

代替的にまたは付加的に、１つ以上の１／４波長スタブが外部導体に接続され得る。スタブの長さはマイクロ波周波数放射の１／４波長である。スタブを含むことによって、マイクロ波遮断要素９４からのマイクロ波エネルギの放射を防ぐことが助けられ得る。

図７は、ＲＦ衝突パルスをプラズマ衝突ゾーン内に結合するために用いられ得る代替的な構成を示す。この構成では、２本の非接触導電針１８２，１８４を用いて、変圧器１８０の二次巻線からのＲＦ衝突パルスをマイクロ波結合器４４内に結合する。プラズマの衝突を可能にするのに十分大きい電場がプラズマ発生ゾーンに生じるように、電圧Ｎ₁およびＮ₂は位相がずれるように配置される。アプリケータからマイクロ波電力が放出されないことを確実にするために、１/４波長円筒スタブ１８６，１８８が用いられる。スタブは、自身の近位端（針が入る場所）の短絡回路をプラズマ衝突ゾーンの開路に変形するように構成される。針がプラズマ衝突ゾーンに入る場所からガスが逃げることができないように封止材２００が用いられる。この構成によっても、マイクロ波結合器４４における電場が確実に最大になる。

図８Ａおよび図８Ｂは、プラズマによって生成される活性物質をより広い処理面積に広げるために石英管２４上に装着され得る拡散装置１９０の使用を示す。拡散装置の利点は、より少ないプラズマ衝突ゾーンで活性物質に対する同じ被覆面積が得られることである。プラズマ衝突ゾーンの数が減ることによって、機器の電力需要が低下し得る。図８Ａには、上述のように導波管空洞２２の壁から突出する石英管２４が示される。別個のガス供給部１３０が石英管２４によって囲まれた体積にガスを提供し、当該体積内で、上述のようにマイクロ波エネルギが結合器４４によって空洞２２から結合され、ＲＦ衝突パルスが供給される（明確にするため詳細は図示せず）。石英管２４は、拡散装置１９０の後面に形成された対応する形状の開口に受けられるハウジング１９０によって取囲まれる。ハウジング１９２は、止めねじ１９４を用いて拡散装置１９２内に固定され得る。したがって、拡散装置１９０に挿入されるハウジングの長さは変更可能である。

拡散装置１９０自体は、石英管からの吹出口の周りの体積を囲むチャンバである。図８Ｂは、４つの孔１９６が設けられたチャンバの上面の平面図を示す。したがって、プラズマによって生成される活性物質は当該孔から拡散装置１９０を出ることによって、図８Ａの点線矢印によって示されるようにプラズマ衝突ゾーンの効果を行渡らせる。

Claims (28)

1. プラズマ滅菌装置であって、
   マイクロ波源からマイクロ波周波数放射のパルスを受信するように接続可能なマイクロ波空洞と、
   マイクロ波エネルギを前記マイクロ波空洞の外に、プラズマ衝突ゾーンに結合するように構成されたマイクロ波結合器とを備え、前記プラズマ衝突ゾーンは内部にガス流路を有し、前記プラズマ滅菌装置はさらに、
   イオン化可能ガスを前記ガス流路に供給するように接続可能なガス供給部と、
   無線周波数（ＲＦ）エネルギのパルスを前記プラズマ衝突ゾーンに送ることによって、前記ガス流路に存在するイオン化可能ガス中の非熱プラズマを衝突させるための高電場を前記ゾーン内に生成するように構成された衝突信号発生回路とを備え、
   前記衝突信号発生回路は、前記マイクロ波空洞内に受信したマイクロ波周波数放射のパルスの検出可能な特性を用いて前記ＲＦエネルギのパルスの生成をトリガするように構成された制御回路構成を含む、プラズマ滅菌装置。
2. 複数のマイクロ波結合器を備え、各マイクロ波結合器は、マイクロ波エネルギを前記マイクロ波空洞の外に、各自のプラズマ衝突ゾーンに結合するように前記マイクロ波空洞に装着される、請求項１に記載のプラズマ滅菌装置。
3. マイクロ波空洞への入力に接続され、前記空洞で受信した前記マイクロ波周波数放射の一部を前記衝突信号発生回路の前記制御回路構成に結合するマイクロ波信号プローブを備える、請求項１または２に記載のプラズマ滅菌装置。
4. 前記マイクロ波信号プローブは電場または磁場結合器である、請求項３に記載のプラズマ滅菌装置。
5. 前記衝突信号発生回路は、前記空洞から結合された前記マイクロ波周波数放射の一部を用いて、前記制御回路構成によって発生したパルスＲＦ信号を入力として受信するように構成されたＲＦ衝突回路を含む、請求項４に記載のプラズマ滅菌装置。
6. 前記衝突信号発生回路は、
   複数のＲＦ衝突回路を含み、各ＲＦ衝突回路は、前記空洞から結合された前記マイクロ波周波数放射の一部を用いて、前記制御回路構成によって発生したパルスＲＦ信号を入力として受信するように、かつＲＦエネルギのパルスを各自のプラズマ衝突ゾーンに出力するように構成され、前記衝突信号発生回路はさらに、
   前記制御回路構成によって発生した前記パルスＲＦ信号を分割して、ＲＦ衝突回路毎に別個の入力信号を発生するように構成されたＲＦ信号スプリッタを含む、請求項４に記載のプラズマ滅菌装置。
7. 各ＲＦ衝突回路は、ゲートドライバ、パワーＭＯＳＦＥＴ、および変圧器を含む、請求項５に記載のプラズマ滅菌装置。
8. 前記制御回路構成は、前記ＲＦエネルギのパルスの持続期間を１０ｍｓ以下に設定するように構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
9. 前記マイクロ波空洞に接続され、４０ｍｓの持続期間および２９％のデューティサイクルを有するマイクロ波周波数放射のパルスを送るように構成されたマイクロ波源を備える、請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
10. 前記マイクロ波源はマグネトロンである、請求項９に記載のプラズマ滅菌装置。
11. 各プラズマ衝突ゾーンは、
    前記マイクロ波空洞から外部に延在して前記ガス流路を規定する誘電管と、
    前記誘電管の内部に配置された内部導体および前記誘電管によって前記内部導体から分離された外部導体を含む同軸構成とを含み、
    前記衝突信号発生回路は、前記無線周波数（ＲＦ）エネルギのパルスが送出されると前記誘電管の内部に高電場を発生するように前記同軸構成に接続される、請求項１から１０のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
12. 前記衝突信号発生回路は、前記衝突信号発生回路を前記プラズマ衝突ゾーン内のマイクロ波エネルギから保護するように構成されたマイクロ波遮断要素を介して前記同軸構成に接続される、請求項１１に記載のプラズマ滅菌装置。
13. 前記衝突信号発生回路は、前記同軸構成の前記内部導体に接続された内部導体と、前記同軸構成の前記外部導体に接続された外部導体とを有する同軸出力線を含み、前記マイクロ波遮断要素は、前記同軸出力線の前記内部導体上のインダクタを含む、請求項１２に記載のプラズマ滅菌装置。
14. 前記同軸構成の前記内部導体は、各自の前記プラズマ衝突ゾーンの前記マイクロ波結合器の少なくとも一部である、請求項１１から１３のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
15. 各マイクロ波結合器は、前記マイクロ波導体内に突出する第１の部分と、前記マイクロ波空洞から各自のプラズマ衝突ゾーンに外向きに延在する第２の部分とを有する導電部材を含み、前記マイクロ波空洞内に露出する前記第１の部分の長さは、前記マイクロ波空洞内の前記マイクロ波エネルギの場強度に基づいて決定される、請求項１から１４のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
16. 前記マイクロ波空洞は、単一の導波管モードで受信した実質的にすべての前記マイクロ波エネルギを支持するように構成され、前記マイクロ波空洞内に露出する各導電部材の前記第１の部分の量は、前記導波管モードの前記場に対する各自のマイクロ波結合器の位置、および前記マイクロ波結合器と、前記空洞内のマイクロ波エネルギが受信される場所との距離に基づいて決定される、請求項１５に記載のプラズマ滅菌装置。
17. 前記導波管空洞内に装着され、各マイクロ波結合器の出力で生成される電力のレベルを制御するための金属または誘電体同調スタブを備える、請求項１から１６のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
18. 前記導波管空洞は装填材料を含む、請求項１から１７のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
19. 前記複数のマイクロ波結合器は、前記導波管空洞の一面上に７×７の配列で配置される、請求項２に記載のプラズマ滅菌装置。
20. 前記ガス供給部は前記マイクロ波空洞への注入口および前記マイクロ波空洞からの１つ以上の吹出口を含み、各吹出口は各自のプラズマ衝突ゾーンに繋がっており、それによって前記イオン化可能ガスが前記マイクロ波空洞を通って前記プラズマ衝突ゾーンに達する、請求項１から１９のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
21. 各マイクロ波結合器は、ガス透過性コネクタによって、そのプラズマ衝突ゾーンの各自の出力内に固定される、請求項２０に記載のプラズマ滅菌装置。
22. 前記ガス供給部は、各プラズマ発生ゾーンへの別個の注入口を含む、請求項１から１９のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
23. 前記プラズマ衝突ゾーンの前記ガス流路は前記ガス供給部に直列接続される、請求項２２に記載のプラズマ滅菌装置。
24. 前記プラズマ衝突ゾーンの後に前記ガス流路上に拡散装置を備え、前記拡散装置は、前記プラズマ衝突ゾーンからの出力を広げるための互いに間隔を空けられた複数の出口孔を有する筐体を含む、請求項１から２３のいずれか１項に記載のプラズマ滅菌装置。
25. 手を滅菌するための機器であって、
    上側内面と下側内面との間に手を受ける凹部を規定するハウジングと、
    前記ハウジング内に配置され、マイクロ波周波数放射のパルスを生成するように構成されたマイクロ波源と、
    前記ハウジング内に配置され、前記マイクロ波源からマイクロ波周波数放射のパルスを受信するように接続された、請求項１から２４のいずれか１項に記載の複数のプラズマ滅菌装置とを備え、
    前記複数のプラズマ滅菌装置からの前記プラズマ衝突ゾーンからの前記ガス流路は、前記上側内面および前記下側内面のいずれか一方において終端し、それによって、前記複数のプラズマ滅菌装置によって発生したプラズマが、前記手を受ける凹部内にユーザの片手または両手を受けると前記手に当たるように構成される、機器。
26. 前記マイクロ波源は、マグネトロンと、前記マグネトロンからの出力を複数のマイクロ波入力信号に分割するように構成された電力スプリッタとを含み、各マイクロ波入力信号は各自のプラズマ滅菌装置のためのものである、請求項２５に記載の機器。
27. 前記マイクロ波源は、マグネトロンと、前記マグネトロンからの出力を前記複数のプラズマ滅菌装置同士の間で多重化するように構成された電力多重化装置とを含む、請求項２５に記載の機器。
28. 前記上側内面における並列上側対および前記下側内面における並列下側対として配置される４つのプラズマ滅菌装置を備え、これによって、各プラズマ滅菌装置は前記ユーザの片手の片側に向けられる、請求項２５から２７のいずれか１項に記載の機器。